Quantification of gas hydrates and gas in the sediment of the Cascadia accretionary wedge using seismic methods
Seismische Quantifizierung von Gashydraten im Sediment der Cascadia-Subduktionszone
FS SONNE
ZUSAMMENFASSUNG - FAHRTBERICHT SO-150 SUMMARY - CRUISE REPORT SO-150
17.09.2000 - 27.10.2000
Edited by
Dirk Klaeschen, Achim Kopf, Matthew Arsenault, and Jörg Bialas with contributions of cruise participants
KIEL 2001
HYDGAS
GEOMAR
Research Center
for Marine Geosciences
Christian-Albrechts-University in Kiel
FS SONNE
in Victoria 19.09.2000
2 HYDGAS SO-150
Redaktion dieses Reports: Editor of this issue:
Dirk Klaeschen, Achim Kopf, Dirk Klaeschen, Achim Kopf,
Matthew Arsenault und Jörg Bialas Matthew Arsenault, and Jörg Bialas
GEOMAR GEOMAR
Forschungszentrum Research Center
für marine Geowissenschaften for Marine Geosciences
D – 24148 Kiel D – 24148 Kiel
Tel. (0431) 600-2555, 600-2505 Tel. (0431) 600-2555, 600-2505
SO-150 HYDGAS 3
ZUSAMMENFASSUNG
Die Zirkulation von Gasen und Fluiden sowie das massive Auftreten von Gashydraten im Bereich aktiver Plattenränder und ihre Rolle im globalen Stoffhaushalt sind wichtige Gesichtspunkte moderner geowissenschaftlicher Grundlagenforschung, die in den letzten zwei Jahrzehnten mit unterschiedlichen Methoden untersucht wurden. Das Forschungsvorhaben HYDGAS stellt sich als Hauptziel, während der Schiffsexpedition Sonne SO-150 Gashydrate im Sediment mit Hilfe von seismischen Messungen zu erfassen. Gashydrate, oder Clathrate, sind eisähnliche Feststoffe aus verschiedenen Gasen (vornehmlich Methan) und Wasser, die unterhalb des Ozeanbodens im Sediment vorkommen. Ihr weltweites Vorkommen übersteigt nach Schätzungen bei weitem die Vorräte anderer Energieträger (Erdöl, Erdgas), sodaß der Erforschung von Gashydrat neben wissenschaftlicher auch ökonomische und ökologische Bedeutung zukommt. Der Kontinentalrand vor Oregon, wo die Juan-de-Fuca-Platte der Nordamerikanischen Platte unterschoben wird, ist eines der reichsten und gleichsam bestuntersuchtesten Gashydratvorkommen auf der Erde. Im oberhalb der Subduktionszone akkumulierten Sediment, dem sog. Cascadia-Akkretionskeil, sind massive Gashydrate, begleitende chemische Anomalien (Salzlaken) und chemische
Umwandlungsprodukte (verschiedene authigene Karbonatformen) sowie charakteristische
Faunenvergesellschaftungen gut dokumentiert. Neben dem prinzipiellen Verständnis des Systems war es Ziel der HYDGAS-Expedition, über quantitative Ansätze das Volumen der vorhandenen Gashydrate besser zu bestimmen.
Die während der Fahrt Sonne SO-150 durchgeführten Arbeiten dienten der räumlichen Verteilung, Identifizierung und Quantifizierung der Hydratvorkommen in der Cascadia-Subduktionszone entlang des Hydratrückens, einer untermeerischen Gebirgsstruktur in nur etwa 800 m Wassertiefe.
Das Vorhaben ist in einer Linie zu sehen mit den erfolgreichen Untersuchungen der Sonne- Expeditionen SO-108, -109, -110, der Tiefseebohrung ODP Site 892, sowie des TECFLUX- Programms (mit zahlreichen erfolgreichen Tauchboot- und Robotereinsätzen) zu sehen. Enge Kooperation mit der Arbeitsgruppe um A. Trehu, OSU, COAS Corvallis, ergänzt die deutschen Expeditionen um die jüngsten Erkenntnise amerikanischer Kollegen. Erst die Kombination von geologischen, geochemischen, biologischen und hydrographischen Untersuchungen mit den gesammelten geophysikalischen Daten in einem kleinregionalen Arbeitsgebiet eröffnet die einmalige Gelegenheit, das Grundlagenwissen zu vertiefen und damit verbunden das genaue Volumen und die Klimarelevanz der Gashydratvorkommen für die Zukunft besser abzuschätzen.
Insgesamt fünf Auslagen von Ozeanbodenhydrophonen (OBHs) und Ozeanbodenseismometern (OBSs) am Merresboden (räumlicher Abstand der einzelnen OBH/OBS ca. 200 m) um eine abgeteufte (ODP Leg 146 Site 892) und zwei geplante Bohrlokationen (ODP Leg 204, in Herbst 2002) stellen die Basis des seismischen Experiments dar. Mit fünf Quellen unterschiedlicher Frequenz (5 Hz bis 2 kHz) und drei verschiedenen Streamertypen, oberflächen und
tiefgeschleppte Systeme, wurden insgesamt 1490 km reflexionsseismischer Profile akquiriert.
Engabständige Profilnetze sowie Parasound als auch Hydrosweep-Aufnahmen gepaart mit den obengenannten Experimenten werden in der Folge erlauben, Hydrat- und Gasvorkommen qualitativ wie quantitativ besser zu erfassen.
4 HYDGAS SO-150
SUMMARY
The circulation of gases and aqueous fluids, as well as the abundance of gas hydrates in
convergent margin scenarios, play a significant role in global mass balances. Hence, the study of these processes with various techniques has become a major objective in geosciences research during the previous decade. The main focus of the research expedition HYDGAS during cruise Sonne SO-150 was the qualification and quantification of massive gas hydrates in the sediment using seismic methods. Gas hydrates, or clathrates, are ice-like crystals of gases (predominantly methane) and water, which occur in various forms in subseafloor sediments. According to global estimates, the carbon fixed in such gas hydrates exceeds by far the amount of presently
discovered oil and gas occurrences. Thus, gas hydrate research is of both scientific, economic, and environmental importance.
The continental margin off Oregon, where the Juan de Fuca Plate is subducted beneath the North American continental plate, is a well studied area which is characterized by its wealth of clathrates and hydrate-related deposits. Within the accumulated sediment of the upper subduction zone, the so called Cascadia accretionary prism, massive gashydrates and associated chemical anomalies (brines), their chemical oxidization products (authigenic carbonate), and typical fauna
assemblages related to methane-rich fluids have been previously reported. Apart from shedding more light on the principal understanding of gas hydrate environments, the main aim of the
HYDGAS expedition is an estimate of gas hydrate quantities, their potential economic relevance in the future, and the risk of environmental hazards (submarine slides, release of greenhouse gases into the atmosphere) from gas hydrate dissociation.
During cruise Sonne SO-150 , improved geophysical methods were used to identify and quantify the spatial variation of gas hydrates across Hydrate Ridge. Narrowly spaced receivers on the seafloor (approximately 200 m apart), shallow and deep towed systems, and a broad range of source frequencies (5 Hz to 2 kHz) were used to guarantee pristine data quality. Here, special attention will be given to parameters which will assist in gas hydrate identification and
quantification. The new geophysical data will be compared and calibrated using the results from direct measurements on recovered core as well as along the borehole wall (downhole logging) at ODP Site 892. Calibration of the geophysical information will allow us to optimize data processing and interpretation. The results from cruise Sonne SO-150 will significantly broaden the
understanding of seismic signals in hydrate-bearing sediments, and thus will add a quantitative component to the overall gas hydrate research.
Five receiver assemblages in three locations, at Site 892 (ODP Leg 146) and at two future ODP drillsites (ODP Leg 204, scheduled for autumn 2002), provided a wealth of data from 5 different sources used. During intervals of data retrieval and OBH/OBS refitting, a total of 1490 km of seismic reflection profiles were acquired using five different source (broad frequency range) and three different streamer (surface and deep tow) configurations. The narrowly spaced grid of seismic reflexion and Parasound lines permits us to tie in the results from the receiver experiments for quantitative estimates.
125 15'W
125 15'W 125 00'W
125 00'W 124 45'W
124 45'W 44 20'N44 20'N
44 30'N44 30'N
44 40'N44 40'N
0510
